固体助推发动机技术研究进展及总体需求分析

2023-12-14佟明羲刘佳佳王鹏飞

宇航总体技术 2023年6期

佟明羲，刘伟，宁雷，刘佳佳，王鹏飞

(北京宇航系统工程研究所，北京 100076)

0 引言

运载发展，总体牵引，动力先行。在我国航天装备几十年发展牵引下，固体火箭发动机在设计和试验技术方面得到了长足的发展，推动了我国航天运输领域的发展[1-2]，应用于运载火箭主动力、捆绑助推动力、上面级动力、逃逸系统动力、姿轨控动力等方面。尤其作为捆绑助推动力，通过固体助推器数量变化、性能提升以及和与芯级的各种组合，能够使同一种火箭系列具有很大范围、不同梯度的运载能力。当前固体助推发动机在提高性能的同时，统筹兼顾经济性与可靠性实现，进一步满足降低成本、可重复使用[3-4]等多种需求。本文在系统梳理国外固体助推发动机技术发展现状的基础上，重点分析技术发展趋势和总体需求。

1 国外固体助推发动机技术发展现状

半个世纪以来，“增大推力、提升性能、降低成本、提高可靠性”一直引领着国外运载火箭固体动力稳步发展[5-6]。据不完全统计，仅美、欧、日、印等国家和地区先后在21型捆绑式运载火箭上使用了固体助推发动机[7-10]。为增大推力，美国发展了大型分段式发动机技术，固体发动机推力达到1 300 t级，欧洲发展了推力500 t级P230发动机。为提升运载系数，美国、欧空局不断研发新技术，P120C发动机质量比达到0.92以上。为降低成本，欧空局将织女星C火箭Ⅰ级发动机和阿里安6火箭助推器共用，增大批量。为提高可靠性，美国、欧洲开展了以粒子沉积、流动仿真、精细检测、先进制造等为代表的大量基础研究，提高产品可靠性。

1.1 美国

美国一直致力于发展大型捆绑式运载火箭固体助推发动机技术，目前已经形成了直径1～3.7 m、装药量30～500 t的系列化固体动力体系，极大地提升了美国的航天运载能力。美国近年来发展并构建了航天发射系统(Space Launch System，SLS)，其Ⅰ期构型的固体助推器RSRMV于2015年3月完成地面试验，并于2022年11月成功首飞。美国在发展诸如大力神火箭SRMU助推器等大型固体助推器的同时，也在不断完善德尔塔、宇宙神等小型固体助推器的性能，构建全面的固体助推发动机体系。

SRMU固体助推器总长34 m，直径3.2 m，装药量315.4 t，分3段，真空推力653 t，工作时间135 s，如图1所示。发动机采用纤维复合材料壳体，分段之间采用金属环进行对接，金属环和复合材料壳体之间采用两道径向销钉连接，在确保可靠性和经济性的同时，进一步提升发动机质量比实现水平。

图1 SRMU固体助推器Fig.1 SRMU solid rocket booster

RSRMV固体助推器总长47.36 m，直径3.71 m，装药量647 t，分5段，真空推力1 311 t，工作时间132 s，如图2所示。发动机采用D6AC高强度钢壳体，为了减小惰性质量并降低成本，还研发了无石棉绝热层材料，同时通过分段技术应用，满足大推力使用需求。

图2 RSRMV固体助推器Fig.2 RSRMV solid rocket booster

1.2 欧洲

欧空局的大型捆绑式运载火箭有阿里安系列的几种型号。其中，阿里安3和阿里安4火箭所用的固体助推器均属于小型助推器，直径约1.1 m，真空推力约70 t。阿里安5火箭发展了直径3.05 m的大型分段式固体助推器P230，推力达到500 t级，通过液体芯级和固体助推相结合，地球同步转移轨道运载能力可达10 t。新型阿里安6火箭捆绑性能更加先进的P120C固体助推器(可捆绑2个或者4个，也可作为织女星C火箭一级动力)，其性价比较阿里安5进一步提升[11-14]。

P230固体助推器如图3所示，直径3.05 m，总长31.16 m，装药量237 t，分3段，真空推力485.1 t，真空比冲274 s。壳体采用48CD4-10高强度钢，喷管采用柔性喷管，喉径达到900 mm，采用三维编织碳/碳材料。

图3 P230固体助推器Fig.3 P230 solid rocket booster

P120C固体助推器如图4所示，直径为3.4 m，装药量141.6 t，峰值推力500 t，工作时间 135.7 s，采用复合材料壳体。发动机设计时针对内弹道性能开展了基于火箭飞行动压和运载能力实现的联合优化，提升了火箭综合性能水平。

图4 P120C固体助推器Fig.4 P120C solid rocket booster

1.3 日本

日本近年来发展了1.8 m和2.5 m两个直径系列的大型固体助推发动机。其中，用于H-2运载火箭的SRB-A固体助推发动机直径1.8 m，装药量59 t，分4段。

基于SRB-A发动机改进和性能提升，日本研制了SRB-3固体发动机，用于新型H-3运载火箭捆绑的固体助推器。发动机直径2.5 m，总长15.1 m，真空推力220 t，如图5所示。

图5 日本SRB系列固体助推器Fig.5 SRB series solid rocket booster (Japan)

1.4 印度

印度运载火箭近年来技术发展迅猛，依靠大型固体助推发动机的技术优势，其运载火箭能力在短期内得到快速提升。印度主要发展的S-200型固体助推发动机如图6所示，直径3.2 m，长25 m，装药量206.7 t，分3段，平均推力426 t，工作时间130 s。该型发动机用于GSLV-MKⅢ运载火箭的固体助推器，于2014年成功完成首次飞行。

图6 印度S-200型固体助推器Fig.6 S-200 solid rocket booster (India)

2 固体助推发动机技术发展趋势分析

2.1 国外航天固体动力指标先进，可靠性高，持续向“大推力、高性能、低成本”方向高速发展

国外运载火箭固体动力技术发展迅速，综合性能指标达到了很高的水平，重视产品研制和技术发展的继承性，在快速形成运载能力的同时，提高了产品的可靠性。在材料、设计、工艺等多领域开展关键技术攻关工作，新技术获得持续性突破，支撑运载火箭固体动力持续发展。

2.2 大型固体助推器与液体芯级发动机进行组合，大幅简化运载火箭构型

固体发动机易实现大推力，液体发动机易实现高比冲和推力可调，将二者结合，可充分发挥组合优势。如表1所示，据不完全统计，国外运载火箭中采用液体芯级发动机与大型固体助推器组合的构型较多，约占总数的81%。

表1 国外助推器

2.3 通过火箭模块化设计，实现发动机批量生产，基于先进智能生产工艺，降低发动机综合成本

国外将不同型号火箭使用的固体发动机共用，通过批量化、模块化生产，降低单台发动机生产成本。同时，加速增材制造、数字孪生/数字线索、增强/虚拟现实等新兴技术的发展，实现智能制造在固体发动机研制全过程的融合应用。

2.4 瞄准发动机性能提升，前沿技术攻关超前布局，不断推进新技术研发

基于未来运载火箭对动力系统高性能、低成本、高可靠的技术需求[15]，国外针对前沿技术进行布局攻关，发展新型固液混合动力、宽温域固体动力等关键技术，积极探索工程应用的可行性，满足未来固体动力的发展需求。

3 固体助推发动机总体需求分析

3.1 固体助推发动机技术的发展应适应时代发展

“十四五”期间，我国大力推进航天强国建设，“探月工程”“火星探测”等重大工程及其他民用空间基础建设项目的实施对大型助推动力提出了“大推力、快响应、高可靠、低成本”的发展方向，将大幅推动固体助推发动机技术的快速发展。

3.2 固体助推发动机技术的发展需有利于火箭总体性能提升与工程实施

在顶层型谱规划的范围内，发动机的研制要以具体任务为导向，统筹考虑综合性能、经济成本、使用流程等方面，联合论证发动机的总体技术方案，在充分识别关键技术和风险点的基础上，给出技术攻关方向。

1)通过开展内外弹道联合优化，如图7所示，让发动机参与总体回路的设计和优化，从火箭总体性能最优的目标出发，确定发动机设计参数。已有仿真经验表明，通过内外弹道联合优化设计，可提高火箭约4%的运载能力[16]，在提升火箭总体性能水平及设计效率的同时，减小发动机方案迭代次数与性能指标实现难度。

图7 运载火箭内外弹道联合优化Fig.7 Joint optimization of rocket and motor

在发动机实现层面，持续推进大型燃烧室整体式装药设计、大直径发动机性能偏差优化设计、分段式轻质化碳纤维壳体设计、大型低力矩柔性喷管设计等关键技术攻关[17]，进一步提高发动机装药量、工作推力和质量比实现水平，结合内外弹道联合优化，实现固体火箭动力系统性能跨越式发展。

2)大型固体发动机规模尺寸和吨位显著提高，需要探索满足工程实施的大型固体发动机运输、总装、起吊等新型使用流程。一方面，受运输规模限制，依托发射场完成发动机和主要部段的生产，并在发射场完成主要的试验工作，需要投入的基础配套建设规模较大；另一方面，发动机装药、分段燃烧室在火箭总装前完成，采用垂直总装方式，大吨位的模块化起吊、总装对发射场建设提出更高要求，增加技术厂房建设规模和工程系统建设成本。

此外，发动机作为固体运载火箭的动力源，同时也是火箭飞行过程中的振动源，需要提前开展大型固体火箭发动机的起飞噪声、力学环境预示等研究，建议在大型固体发动机试车时开展力、热、噪声等实际环境测量与研究工作。

3.3 固体助推发动机技术的发展需着眼于性能水平和经济性协同提升

发动机的研制应以联合论证的结果作为输入，在经济性和可靠性的双重约束下，通过设计和生产联动，确定最终的技术实现路径。

1)从全箭经费构成上来看，固体动力系统占比很大，通过固体发动机关键技术攻关和工艺措施优化，采取面向商业航天的成本控制，可进一步优化火箭成本构成，提升火箭市场竞争力。开展发动机低成本材料优选及适应性开发、绿色低成本推进剂技术、生产工艺简化与流程优化、先进仿真模拟技术等研究，精简研制流程，降低研制费用，为低成本航天运输系统建设提供支撑。

2)为了提高运载火箭在不同任务载荷下的适应性，需要进一步拓展固体发动机规模尺寸，加大开展分段式复合材料壳体发动机技术等研究力度，快速形成多种推力梯度的发动机型谱。通过火箭的模块化、发动机的产品化和标准化设计，实现发动机的批量化生产，从而降低成本，提高可靠性。